無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助GIS+BIM技術(shù)在公路中的應(yīng)用

王志勇

(山西二建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

國(guó)道G342晉城市過(guò)境段改線工程PPP項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱“本項(xiàng)目”)，路線起點(diǎn)(K0+360)位于澤州縣高都鎮(zhèn)高都收費(fèi)站西，與既有國(guó)道G342順接，依次跨越太焦高鐵隧道、丹河、長(zhǎng)晉高速、國(guó)道G207、晉煤集團(tuán)煤礦鐵路線，分幅下穿環(huán)城北高速東掩大橋，K線終點(diǎn)(K27+711.604)與既有陵沁線順接；L線起點(diǎn)(LK0+000)與K線在南掩村西北處T型交叉，設(shè)置T型樞紐互通立交，跨越晉陽(yáng)高速，在張莊村西與晉城環(huán)城高速一級(jí)公路連接線順接，終點(diǎn)里程(LK8+599.495)。路線(K+L線)全長(zhǎng)35.929 km,按一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m。施工內(nèi)容包括：特大橋1座，大中橋12座，互通式立體交叉5處(含：大中橋16座、涵洞50道、天橋5座、通道14座)，涵洞49道，天橋6座，通道17座。項(xiàng)目概算投資31.169億元。

1.2 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

本項(xiàng)目路線經(jīng)過(guò)煤礦采空區(qū)不良地質(zhì)路段和煤礦資源含煤區(qū)，需采用全充填壓力注漿法處置，并避開(kāi)煤礦資源含煤區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，線路前期優(yōu)化要求高；橫跨正在申報(bào)國(guó)家級(jí)森林公園的丹河濕地、龍王山森林公園等環(huán)境敏感區(qū)，文明施工要求高；路線走廊歷經(jīng)低山區(qū)、丘陵區(qū)、山前傾斜平原區(qū)和河谷階地區(qū)，爆破開(kāi)挖難度高，土石方轉(zhuǎn)運(yùn)量大；項(xiàng)目沿線100 m范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)大小村莊10余處，周邊遍布電力、廣電、移動(dòng)、聯(lián)通、國(guó)防光纜、信號(hào)塔、高壓送電線路及國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位碧落寺等建(構(gòu))筑物，征地拆遷任務(wù)重，現(xiàn)場(chǎng)管理難度大。同時(shí)，項(xiàng)目建成后將與已通車的國(guó)道G207線晉城過(guò)境段改線工程閉合形成市區(qū)二環(huán)，省政府高度重視，施工任務(wù)和工期十分緊張。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)概述

1)無(wú)人機(jī)技術(shù)。無(wú)人機(jī)運(yùn)行原理是通過(guò)無(wú)線電遙控與制動(dòng)程序?qū)o(wú)人飛機(jī)或者是飛行器進(jìn)行控制，無(wú)人機(jī)主要包括固定翼、直升機(jī)、多旋翼以及飛艇等，具備機(jī)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)以及快速等優(yōu)點(diǎn)[1]。本項(xiàng)目采用飛馬機(jī)器人公司生產(chǎn)的V系列高性能垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)(見(jiàn)圖1)，結(jié)合《飛馬云監(jiān)控》《無(wú)人機(jī)管家》《飛馬三維瀏覽器》等軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)區(qū)任務(wù)地理戳記、航線軌跡展繪、飛行參數(shù)顯示、航拍參數(shù)查看等全程云管理功能。

2)傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、前視、左視、右視與后視共5個(gè)不同的角度采集影像[2]，依托全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以及傾斜攝影系統(tǒng)，可快速采集影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行全自動(dòng)化三維建模，準(zhǔn)確、真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性。傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測(cè)影像數(shù)據(jù)，能同時(shí)輸出DSM，DOM，DLG等多種成果。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)施流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠真實(shí)地反映被攝目標(biāo)的情況，借助先進(jìn)定位技術(shù)的支持，能夠獲取豐富的影像數(shù)據(jù)，且攝影過(guò)程不用耗費(fèi)大量的人力物力[3]。本項(xiàng)目施工所在區(qū)域?yàn)榈湫蜕降貐^(qū)域，地形主要以丘陵為主，平均海拔約為860 m，最高約1 076 m，最低約741 m，植被覆蓋茂盛，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)GIS數(shù)據(jù)測(cè)量和BIM三維建模難度很大。因此，根據(jù)項(xiàng)目GIS測(cè)量作業(yè)和BIM三維建模需求，測(cè)繪方案采用V300高性能垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影飛行測(cè)繪。

本次飛行測(cè)繪結(jié)合《無(wú)人機(jī)管家》系列軟件進(jìn)行，可自動(dòng)進(jìn)行測(cè)區(qū)構(gòu)建、自動(dòng)匹配連接點(diǎn)、空三加密、影像勻光勻色、正射糾正、影像鑲嵌等優(yōu)化處理，并及時(shí)將處理得到的外方位元素、相機(jī)參數(shù)以及糾正后的影像導(dǎo)入Smart3D軟件,經(jīng)過(guò)傾斜影像聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配和紋理映射等環(huán)節(jié)，可快速構(gòu)建真實(shí)、直觀的三維模型，其自動(dòng)化程度高，作業(yè)周期短，生成成本低[4]。飛行測(cè)繪設(shè)計(jì)地面分辨率10 cm，相對(duì)航高204 m，航向重疊82%，旁向重疊65%，并在飛行過(guò)程中根據(jù)地理信息自動(dòng)生成滿足后期處理的最佳飛行方案，飛行作業(yè)共計(jì)8架次(見(jiàn)圖2)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影的使用，不僅極大的提高了工程測(cè)量作業(yè)效率，而且能準(zhǔn)確獲得施工現(xiàn)場(chǎng)高分辨率影像數(shù)據(jù)。特別是所測(cè)區(qū)域地處山區(qū)，地形起伏大、光照條件差異明顯，經(jīng)過(guò)無(wú)人機(jī)管家勻光勻色處理后的DOM影像色彩均勻、不存在明顯接縫，且DOM內(nèi)部一致性好，不存在扭曲、地物重影、拉花的現(xiàn)象，為后續(xù)高精度三維實(shí)景地形的創(chuàng)建提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)輸入。無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)施流程見(jiàn)圖3。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助GIS+BIM技術(shù)實(shí)景建模的具體應(yīng)用

4.1 基于GIS+BIM技術(shù)的公路選線設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，初步提供了10個(gè)路線設(shè)計(jì)方案。其中，在K線與D線方案比選中，通過(guò)采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助GIS技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)景建模，可全面、立體、直觀的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證分析，為建設(shè)單位最終決策提供強(qiáng)有力的依據(jù)，爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。在本項(xiàng)目中，K線雖在二仙掌村存在S型曲線，但整體填挖方工程量較小；而D線對(duì)龍王山森林公園環(huán)境影響較大,且新建線位整體填挖方工程量較大，順層深挖方所需抗滑樁等支擋防護(hù)工程量大，通過(guò)BIM技術(shù)模型和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析，最終選擇K方案(見(jiàn)圖4)。

4.2 基于GIS+BIM技術(shù)的路線方案優(yōu)化應(yīng)用研究

根據(jù)確定的路線方案，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助GIS技術(shù)建立完整的路、橋三維實(shí)景模型，結(jié)合路線周邊地物條件，可全面、高效、準(zhǔn)確對(duì)路線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目中，通過(guò)GIS+BIM技術(shù)建模可直觀發(fā)現(xiàn)K12+800～K13+000路線段與110 kV高壓線塔存在沖突，通過(guò)優(yōu)化線位避開(kāi)，避免了重大拆遷(見(jiàn)圖5)；三溝互通原設(shè)計(jì)方案占用房屋數(shù)量較大，通過(guò)優(yōu)化互通線位，減少房屋拆遷約3 000 m2(見(jiàn)圖6)。此外，通過(guò)在三維實(shí)景GIS+BIM模型中加載煤炭礦界范圍，發(fā)現(xiàn)LK2+800～LK4+300路線段壓覆煤礦資源，通過(guò)BIM技術(shù)優(yōu)化后，減少煤礦資源壓覆400 m，節(jié)約資金3 000萬(wàn)元。

4.3 基于GIS+BIM技術(shù)的橋梁方案對(duì)比應(yīng)用研究

本項(xiàng)目丹河特大橋在設(shè)計(jì)之初，共提出3種設(shè)計(jì)方案，分別為獨(dú)塔雙索面斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)橋和雙塔雙索面矮塔斜拉橋，通過(guò)將3種橋梁BIM模型加載到無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助生成的三維實(shí)景GIS模型中，可綜合對(duì)比各橋梁的造型、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方案(見(jiàn)圖7)。其中，獨(dú)塔雙索面斜拉橋施工雖然復(fù)雜，造價(jià)最高，但符合晉城市旅游公路發(fā)展需求，被確定為最終實(shí)施方案。

4.4 基于GIS+BIM技術(shù)的公路改路設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

本項(xiàng)目全線90條公路改路設(shè)計(jì)均在無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助生成的三維實(shí)景GIS模型中進(jìn)行，極大的保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了設(shè)計(jì)效率。其中，在G069公路改路設(shè)計(jì)中，1∶2 000地形圖中未顯示既有機(jī)耕道路寬度、路面材料等信息(見(jiàn)圖8)，通過(guò)GIS三維實(shí)景模型核查改路設(shè)計(jì)，并將BIM設(shè)計(jì)成果導(dǎo)入GIS模型進(jìn)行驗(yàn)證(見(jiàn)圖9)，最大限度避免了后期因無(wú)法確定改路設(shè)計(jì)參數(shù)而產(chǎn)生設(shè)計(jì)變更。

4.5 基于GIS+BIM技術(shù)的征地拆遷管理

通過(guò)在無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助生成的三維實(shí)景GIS模型中加載路線征地紅線，可精確計(jì)算紅線范圍內(nèi)各類用地的征拆數(shù)量，使得征地拆遷的前期調(diào)查工作快速、準(zhǔn)確，省去了大量現(xiàn)場(chǎng)勘查測(cè)量工作，避免了潛在拆遷對(duì)象搶建、搶栽等行為的發(fā)生，大大減少了征拆工作難度及費(fèi)用，且利于合理安排拆遷計(jì)劃和資金投入。

5 結(jié)論與展望

無(wú)人機(jī)傾斜攝影輔助GIS+BIM技術(shù)的應(yīng)用研究,最大的價(jià)值在于整合BIM和GIS技術(shù)優(yōu)勢(shì),將傾斜攝影輔助生成的三維實(shí)景GIS模型與BIM結(jié)構(gòu)模型成果進(jìn)行了精準(zhǔn)融合,精準(zhǔn)地呈現(xiàn)了項(xiàng)目全生命周期的結(jié)構(gòu)物真實(shí)空間位置，可快速、高效、準(zhǔn)確處理三維空間數(shù)據(jù)，為公路設(shè)計(jì)提供真實(shí)、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在公路選線設(shè)計(jì)、路線方案優(yōu)化、橋梁方案對(duì)比、公路改路設(shè)計(jì)、征地拆遷管理和土石方工程量核算等方面提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了公路項(xiàng)目信息全過(guò)程整合，保證了項(xiàng)目全生命周期管理信息暢通傳遞，有效促進(jìn)了我國(guó)公路工程設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營(yíng)管理高質(zhì)量發(fā)展，為我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)再添新彩。